Marchiatura reversibile di immagini biomediche  Autenticazione di immagini biomediche       in sistemi PACS gerarchici    ...
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ScenarioSommario1 Scenario2 Marchiatura reversibile3 Autenticazione di esami4 Risultati sperimentali Autenticazione di imm...
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ScenarioObiettivi e requisitiQuesto lavoro propone una integrazione all’architettura che affronta le criticitàrilevate, ten...
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Marchiatura reversibileSviluppo dell’algoritmoL’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei...
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Marchiatura reversibileNovità introdotteLe condizioni per determinare se un blocco è marchiabile sono state corrette inpiù...
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Marchiatura reversibile Euristica Problema simile a quello dello zaino. Singolo oggetto oj : blocco i marchiato con una po...
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Marchiatura reversibileSelezione delle Regioni di InteresseSi è realizzato un criterio semplice,applicabile a tutti i tipi...
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Autenticazione di esamiAutenticazione di interi esamiScopo dell’integrazione è autenticare esami. Ogni esame può essere co...
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Autenticazione di esamiProposta di integrazioneAvendo a disposizione un tale strumento, l’architettura potrebbe essere cos...
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Risultati sperimentaliConclusioniQuesto lavoro di tesi propone l’utilizzo della marchiatura reversibile perincrementare la...
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Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

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Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile - Marco Fontani - AA 2008-2009 Relatori: Prof. Vito Cappellini, Prof Pietro Pala, Piva, Dr. Alessia De Rosa Caldelli, Ing. Francesco Filippini, Dr. Mattero Consalvo

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Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

  1. 1. Marchiatura reversibile di immagini biomediche Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile Marco Fontani Università degli Studi di Firenze, Facoltà di Ingegneria 21 Aprile 2010Relatori: Co-relatori:Prof. Alessandro Piva Ing. Alessia De RosaProf. Pietro Pala Ing. Roberto Caldelli Ing. Francesco Filippini Dott. Matteo Consalvo Università degli Studi di Firenze Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica
  2. 2. Obiettivi del lavoroL’obiettivo principale è consentire la verifica di integrità degli esami medicibasati su immagini all’interno dei sistemi informativi che li gestiscono.Il lavoro si è articolato in più fasi: Analisi dello scenario e delle sue criticità Studio di un insieme di algoritmi di marchiatura digitale compatibili con le caratteristiche del contesto Sviluppo di un algoritmo per l’utilizzo su immagini biomediche di diverse modalità (CT, MR, CR, MG). Proposta di integrazione dell’algoritmo all’interno dello scenario analizzato Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  3. 3. ScenarioSommario1 Scenario2 Marchiatura reversibile3 Autenticazione di esami4 Risultati sperimentali Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  4. 4. ScenarioSistemi PACSLo sviluppo tecnologico sta rivoluzionando la sanità, sia nell’aspetto gestionalesia in quello tecnico.Le macchine diagnostiche moderne per l’acquisizione di bioimmagini generanoimmagini digitali ad alta risoluzione. I sistemi PACS (Picture Archiving andCommunication System) nascono per consentire archiviazione, trasmissione,consultazione e stampa di queste immagini. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  5. 5. Scenario Sistemi PACS gerarchici La facilità di trasmissione favorisce l’accentramento degli archivi, al fine di facilitarne la condivisione, la conservazione e l’archiviazione legale.Ciclo di vita di un esame Acquisizione: genera file DICOM e li invia al server di presidio Inoltro dal server di presidio al PACS della ASL (intertempo: ∼30 min) Trasferimento al PACS di Area Vasta (intertempo: ∼12 h) Mantenimento e Archiviazione legale (intertempo: ∼24 h)Archiviazione legaleI dati vengono riversati su volumi fisici,protetti da firma digitale. L’archivio èoff-line. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  6. 6. Scenario Sistemi PACS gerarchici La facilità di trasmissione favorisce l’accentramento degli archivi, al fine di facilitarne la condivisione, la conservazione e l’archiviazione legale.Ciclo di vita di un esame Acquisizione: genera file DICOM e li invia al server di presidio Inoltro dal server di presidio al PACS della ASL (intertempo: ∼30 min) Trasferimento al PACS di Area Vasta (intertempo: ∼12 h) Mantenimento e Archiviazione legale (intertempo: ∼24 h)Archiviazione legaleI dati vengono riversati su volumi fisici,protetti da firma digitale. L’archivio èoff-line. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  7. 7. Scenario Sistemi PACS gerarchici La facilità di trasmissione favorisce l’accentramento degli archivi, al fine di facilitarne la condivisione, la conservazione e l’archiviazione legale.Ciclo di vita di un esame Acquisizione: genera file DICOM e li invia al server di presidio Inoltro dal server di presidio al PACS della ASL (intertempo: ∼30 min) Trasferimento al PACS di Area Vasta (intertempo: ∼12 h) Mantenimento e Archiviazione legale (intertempo: ∼24 h)Archiviazione legaleI dati vengono riversati su volumi fisici,protetti da firma digitale. L’archivio èoff-line. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  8. 8. Scenario Sistemi PACS gerarchici La facilità di trasmissione favorisce l’accentramento degli archivi, al fine di facilitarne la condivisione, la conservazione e l’archiviazione legale.Ciclo di vita di un esame Acquisizione: genera file DICOM e li invia al server di presidio Inoltro dal server di presidio al PACS della ASL (intertempo: ∼30 min) Trasferimento al PACS di Area Vasta (intertempo: ∼12 h) Mantenimento e Archiviazione legale (intertempo: ∼24 h)Archiviazione legaleI dati vengono riversati su volumi fisici,protetti da firma digitale. L’archivio èoff-line. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  9. 9. Scenario Sistemi PACS gerarchici La facilità di trasmissione favorisce l’accentramento degli archivi, al fine di facilitarne la condivisione, la conservazione e l’archiviazione legale.Ciclo di vita di un esame Acquisizione: genera file DICOM e li invia al server di presidio Inoltro dal server di presidio al PACS della ASL (intertempo: ∼30 min) Trasferimento al PACS di Area Vasta (intertempo: ∼12 h) Mantenimento e Archiviazione legale (intertempo: ∼24 h)Archiviazione legaleI dati vengono riversati su volumi fisici,protetti da firma digitale. L’archivio èoff-line. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  10. 10. Scenario Sistemi PACS gerarchici La facilità di trasmissione favorisce l’accentramento degli archivi, al fine di facilitarne la condivisione, la conservazione e l’archiviazione legale.Ciclo di vita di un esame Acquisizione: genera file DICOM e li invia al server di presidio Inoltro dal server di presidio al PACS della ASL (intertempo: ∼30 min) Trasferimento al PACS di Area Vasta (intertempo: ∼12 h) Mantenimento e Archiviazione legale (intertempo: ∼24 h)Archiviazione legaleI dati vengono riversati su volumi fisici,protetti da firma digitale. L’archivio èoff-line. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  11. 11. ScenarioPericoli per l’integrità degli esami L’integrità (assenza di contraffazioni) dei dati è un punto cruciale. Il sistema analizzato espone alcune criticità.Criticità Stazionamento dei dati in PACS intermedi prima dell’archiviazione legale (decine di ore tra acquisizione e consolidamento) Accesso dei tecnici del PACS ai dati (necessario per correggere metadati) Separazione dell’archivio legale da quello effettivamente utilizzato dal personale sanitario Possibile soluzione Utilizzare la marchiatura digitale per corredare ciascun esame delle informazioni necessarie alla verifica di integrità e al controllo dell’identità del paziente. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  12. 12. ScenarioPericoli per l’integrità degli esami L’integrità (assenza di contraffazioni) dei dati è un punto cruciale. Il sistema analizzato espone alcune criticità.Criticità Stazionamento dei dati in PACS intermedi prima dell’archiviazione legale (decine di ore tra acquisizione e consolidamento) Accesso dei tecnici del PACS ai dati (necessario per correggere metadati) Separazione dell’archivio legale da quello effettivamente utilizzato dal personale sanitario Possibile soluzione Utilizzare la marchiatura digitale per corredare ciascun esame delle informazioni necessarie alla verifica di integrità e al controllo dell’identità del paziente. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  13. 13. ScenarioPericoli per l’integrità degli esami L’integrità (assenza di contraffazioni) dei dati è un punto cruciale. Il sistema analizzato espone alcune criticità.Criticità Stazionamento dei dati in PACS intermedi prima dell’archiviazione legale (decine di ore tra acquisizione e consolidamento) Accesso dei tecnici del PACS ai dati (necessario per correggere metadati) Separazione dell’archivio legale da quello effettivamente utilizzato dal personale sanitario Possibile soluzione Utilizzare la marchiatura digitale per corredare ciascun esame delle informazioni necessarie alla verifica di integrità e al controllo dell’identità del paziente. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  14. 14. ScenarioPericoli per l’integrità degli esami L’integrità (assenza di contraffazioni) dei dati è un punto cruciale. Il sistema analizzato espone alcune criticità.Criticità Stazionamento dei dati in PACS intermedi prima dell’archiviazione legale (decine di ore tra acquisizione e consolidamento) Accesso dei tecnici del PACS ai dati (necessario per correggere metadati) Separazione dell’archivio legale da quello effettivamente utilizzato dal personale sanitario Possibile soluzione Utilizzare la marchiatura digitale per corredare ciascun esame delle informazioni necessarie alla verifica di integrità e al controllo dell’identità del paziente. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  15. 15. ScenarioPericoli per l’integrità degli esami L’integrità (assenza di contraffazioni) dei dati è un punto cruciale. Il sistema analizzato espone alcune criticità.Criticità Stazionamento dei dati in PACS intermedi prima dell’archiviazione legale (decine di ore tra acquisizione e consolidamento) Accesso dei tecnici del PACS ai dati (necessario per correggere metadati) Separazione dell’archivio legale da quello effettivamente utilizzato dal personale sanitario Possibile soluzione Utilizzare la marchiatura digitale per corredare ciascun esame delle informazioni necessarie alla verifica di integrità e al controllo dell’identità del paziente. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  16. 16. ScenarioPericoli per l’integrità degli esami L’integrità (assenza di contraffazioni) dei dati è un punto cruciale. Il sistema analizzato espone alcune criticità.Criticità Stazionamento dei dati in PACS intermedi prima dell’archiviazione legale (decine di ore tra acquisizione e consolidamento) Accesso dei tecnici del PACS ai dati (necessario per correggere metadati) Separazione dell’archivio legale da quello effettivamente utilizzato dal personale sanitario Possibile soluzione Utilizzare la marchiatura digitale per corredare ciascun esame delle informazioni necessarie alla verifica di integrità e al controllo dell’identità del paziente. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  17. 17. ScenarioObiettivi e requisitiQuesto lavoro propone una integrazione all’architettura che affronta le criticitàrilevate, tenendo conto dei requisiti emersi dallo studio dello scenario:Obiettivi Assicurare che la copia archiviata sia quella autentica Consentire la verifica di integrità degli esami ad ogni utilizzo Rafforzare il legame tra immagini e identità del paziente Mantenere la compatibilità col sistema esistenteRequisiti Non alterare in modo irreversibile le immagini Mantenere fedeli all’originale le immagini protette Contenere i tempi di elaborazione (< 30 sec per esame) Non richiedere stravolgimenti architetturali Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  18. 18. ScenarioObiettivi e requisitiQuesto lavoro propone una integrazione all’architettura che affronta le criticitàrilevate, tenendo conto dei requisiti emersi dallo studio dello scenario:Obiettivi Assicurare che la copia archiviata sia quella autentica Consentire la verifica di integrità degli esami ad ogni utilizzo Rafforzare il legame tra immagini e identità del paziente Mantenere la compatibilità col sistema esistenteRequisiti Non alterare in modo irreversibile le immagini Mantenere fedeli all’originale le immagini protette Contenere i tempi di elaborazione (< 30 sec per esame) Non richiedere stravolgimenti architetturali Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  19. 19. ScenarioObiettivi e requisitiQuesto lavoro propone una integrazione all’architettura che affronta le criticitàrilevate, tenendo conto dei requisiti emersi dallo studio dello scenario:Obiettivi Assicurare che la copia archiviata sia quella autentica Consentire la verifica di integrità degli esami ad ogni utilizzo Rafforzare il legame tra immagini e identità del paziente Mantenere la compatibilità col sistema esistenteRequisiti Non alterare in modo irreversibile le immagini Mantenere fedeli all’originale le immagini protette Contenere i tempi di elaborazione (< 30 sec per esame) Non richiedere stravolgimenti architetturali Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  20. 20. Marchiatura reversibileSommario1 Scenario2 Marchiatura reversibile3 Autenticazione di esami4 Risultati sperimentali Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  21. 21. Marchiatura reversibileMarchiatura digitale di immaginiUn algoritmo di marchiatura consente di introdurre all’interno di unaimmagine dell’informazione in modo che essa sia invisibile ad un osservatorema facilmente estraibile in fase di rivelazione.Sono stati analizzati in letteratura algoritmi che si adattassero agli obiettivi edai vincoli di interesse: Lo scopo è autenticare immagini ⇒ marchio fragile Non si può compromettere l’originale ⇒ algoritmo reversibile Non devono essere trasmesse molte informazioni ⇒ bassa capacità Si vuole alta qualità delle immagini marchiate ⇒ impercettibilitàAlgoritmo di baseScelto l’algoritmo di Lee et al. (fragile, reversibile, capacità regolabile, basso impattopercettivo) per essere esteso ed adattato al dominio di interesse. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  22. 22. Marchiatura reversibileMarchiatura digitale di immaginiUn algoritmo di marchiatura consente di introdurre all’interno di unaimmagine dell’informazione in modo che essa sia invisibile ad un osservatorema facilmente estraibile in fase di rivelazione.Sono stati analizzati in letteratura algoritmi che si adattassero agli obiettivi edai vincoli di interesse: Lo scopo è autenticare immagini ⇒ marchio fragile Non si può compromettere l’originale ⇒ algoritmo reversibile Non devono essere trasmesse molte informazioni ⇒ bassa capacità Si vuole alta qualità delle immagini marchiate ⇒ impercettibilitàAlgoritmo di baseScelto l’algoritmo di Lee et al. (fragile, reversibile, capacità regolabile, basso impattopercettivo) per essere esteso ed adattato al dominio di interesse. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  23. 23. Marchiatura reversibileMarchiatura digitale di immaginiUn algoritmo di marchiatura consente di introdurre all’interno di unaimmagine dell’informazione in modo che essa sia invisibile ad un osservatorema facilmente estraibile in fase di rivelazione.Sono stati analizzati in letteratura algoritmi che si adattassero agli obiettivi edai vincoli di interesse: Lo scopo è autenticare immagini ⇒ marchio fragile Non si può compromettere l’originale ⇒ algoritmo reversibile Non devono essere trasmesse molte informazioni ⇒ bassa capacità Si vuole alta qualità delle immagini marchiate ⇒ impercettibilitàAlgoritmo di baseScelto l’algoritmo di Lee et al. (fragile, reversibile, capacità regolabile, basso impattopercettivo) per essere esteso ed adattato al dominio di interesse. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  24. 24. Marchiatura reversibileSviluppo dell’algoritmoL’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei coefficienti wavelet HH di ciascunblocco (trasformata Le Gall 5/3int-to-int). I coefficienti di un blocco possonoessere modificati in due modi: 1 LSB-change: modifica del bit meno significativo 2 p-bit-shift: ogni coefficiente viene moltiplicato per 2p , il marchio è introdotto nei p bit-plane liberatiPer mantenere la reversibilità va impedito che i blocchi, dopo la marchiatura,contengano pixel al di fuori del range di valori dell’immagine (traboccamento). Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  25. 25. Marchiatura reversibileSviluppo dell’algoritmoL’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei coefficienti wavelet HH di ciascunblocco (trasformata Le Gall 5/3int-to-int). I coefficienti di un blocco possonoessere modificati in due modi: 1 LSB-change: modifica del bit meno significativo 2 p-bit-shift: ogni coefficiente viene moltiplicato per 2p , il marchio è introdotto nei p bit-plane liberatiPer mantenere la reversibilità va impedito che i blocchi, dopo la marchiatura,contengano pixel al di fuori del range di valori dell’immagine (traboccamento). Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  26. 26. Marchiatura reversibileSviluppo dell’algoritmoL’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei coefficienti wavelet HH di ciascunblocco (trasformata Le Gall 5/3int-to-int). I coefficienti di un blocco possonoessere modificati in due modi: 1 LSB-change: modifica del bit meno significativo 2 p-bit-shift: ogni coefficiente viene moltiplicato per 2p , il marchio è introdotto nei p bit-plane liberatiPer mantenere la reversibilità va impedito che i blocchi, dopo la marchiatura,contengano pixel al di fuori del range di valori dell’immagine (traboccamento). Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  27. 27. Marchiatura reversibileSviluppo dell’algoritmoL’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei coefficienti wavelet HH di ciascunblocco (trasformata Le Gall 5/3int-to-int). I coefficienti di un blocco possonoessere modificati in due modi: 1 LSB-change: modifica del bit meno significativo 2 p-bit-shift: ogni coefficiente viene moltiplicato per 2p , il marchio è introdotto nei p bit-plane liberatiPer mantenere la reversibilità va impedito che i blocchi, dopo la marchiatura,contengano pixel al di fuori del range di valori dell’immagine (traboccamento). Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  28. 28. Marchiatura reversibileSviluppo dell’algoritmoL’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei coefficienti wavelet HH di ciascunblocco (trasformata Le Gall 5/3int-to-int). I coefficienti di un blocco possonoessere modificati in due modi: 1 LSB-change: modifica del bit meno significativo 2 p-bit-shift: ogni coefficiente viene moltiplicato per 2p , il marchio è introdotto nei p bit-plane liberatiPer mantenere la reversibilità va impedito che i blocchi, dopo la marchiatura,contengano pixel al di fuori del range di valori dell’immagine (traboccamento). Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  29. 29. Marchiatura reversibileSviluppo dell’algoritmoL’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei coefficienti wavelet HH di ciascunblocco (trasformata Le Gall 5/3int-to-int). I coefficienti di un blocco possonoessere modificati in due modi: 1 LSB-change: modifica del bit meno significativo 2 p-bit-shift: ogni coefficiente viene moltiplicato per 2p , il marchio è introdotto nei p bit-plane liberatiPer mantenere la reversibilità va impedito che i blocchi, dopo la marchiatura,contengano pixel al di fuori del range di valori dell’immagine (traboccamento). Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  30. 30. Marchiatura reversibileNovità introdotteLe condizioni per determinare se un blocco è marchiabile sono state corrette inpiù stadi ⇒ rimossi i malfunzionamenti del lavoro originale.L’algoritmo proposto sceglie quali blocchi dell’immagine marchiare e con chepotenza (valore di p) in base a due criteri: 1 Distorsione percettibile subita dal blocco 2 Appartenenza a regione di interesse (ROI)Qualità delle immagini marchiateL’algoritmo originale minimizza (ricerca esaustiva) il rumore introdotto dal marchiomisurato con il PSNR; questa metrica non cattura l’effettiva distorsione percettibile.L’algoritmo proposto sfrutta la metrica percettiva Structural SIMilarity, chestima la differenza strutturale tra due immagini. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  31. 31. Marchiatura reversibileNovità introdotteLe condizioni per determinare se un blocco è marchiabile sono state corrette inpiù stadi ⇒ rimossi i malfunzionamenti del lavoro originale.L’algoritmo proposto sceglie quali blocchi dell’immagine marchiare e con chepotenza (valore di p) in base a due criteri: 1 Distorsione percettibile subita dal blocco 2 Appartenenza a regione di interesse (ROI)Qualità delle immagini marchiateL’algoritmo originale minimizza (ricerca esaustiva) il rumore introdotto dal marchiomisurato con il PSNR; questa metrica non cattura l’effettiva distorsione percettibile.L’algoritmo proposto sfrutta la metrica percettiva Structural SIMilarity, chestima la differenza strutturale tra due immagini. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  32. 32. Marchiatura reversibileSelezione dei blocchi e distribuzione del payloadI blocchi da marchiare sono selezionati minimizzando la distorsionecomplessiva subita dall’immagine. Ad ogni blocco i marchiato con potenza p(pmin = 0, pmax = 2) è assegnato un costo Cp,i ed una capacità PLDi,p . Ladistribuzione del payload che minimizza la distorsione percettibiledell’immagine si ottiene risolvendo il problema:ProblemaObiettivo min [δi,1 ∗ C1,i + δi,2 ∗ C2,i ] iVincoli [δi,1 ∗ PLDi,1 + δi,2 ∗ PLDi,2 ] ≥ REQ i δi,1 + δi,2 ≤ 1 δi,1 , δi,2 ∈ {0, 1}Il problema (di programmazione lineare intera) è NP-hard; è stata propostaun’euristica per ottenere una soluzione sub-ottima in tempi contenuti (< 0.2sec). Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  33. 33. Marchiatura reversibile Euristica Problema simile a quello dello zaino. Singolo oggetto oj : blocco i marchiato con una potenza p ⇒ esistono oggetti incompatibili (δi,1 + δi,2 ≤ 1). Si genera una lista L assegnando a ciascun oggetto un indicatore CAPo f (oj ) = Co j ; si costruisce l’insieme S degli oggetti selezionati col seguente j algoritmo:Algoritmo Prestazioni Verificate con due tipi di esperimento:sort(L) wrt f (·) 1 Confronto tra le prestazioniS←∅while CAP(oi ) < REQ dell’algoritmo con ricerca esaustiva e oi ∈S o ← L(j) con uso dell’euristica ⇒ PSNR quasi if ok ∈ S t.c. o è incompatibile con ok identico (∆ < 0.5dB, ∼ 0.6%) S←o else 2 Confronto tra l’insieme S costruito if f (ok ) > f (o) dall’euristica e quello ottimo S→o S ← ok (ottenuto con un risolutore) ⇒ j =j+1 soluzione obiettivo: 95% dell’ottima Tempo impiegato: ∼ 0.1 sec Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  34. 34. Marchiatura reversibile Euristica Problema simile a quello dello zaino. Singolo oggetto oj : blocco i marchiato con una potenza p ⇒ esistono oggetti incompatibili (δi,1 + δi,2 ≤ 1). Si genera una lista L assegnando a ciascun oggetto un indicatore CAPo f (oj ) = Co j ; si costruisce l’insieme S degli oggetti selezionati col seguente j algoritmo:Algoritmo Prestazioni Verificate con due tipi di esperimento:sort(L) wrt f (·) 1 Confronto tra le prestazioniS←∅while CAP(oi ) < REQ dell’algoritmo con ricerca esaustiva e oi ∈S o ← L(j) con uso dell’euristica ⇒ PSNR quasi if ok ∈ S t.c. o è incompatibile con ok identico (∆ < 0.5dB, ∼ 0.6%) S←o else 2 Confronto tra l’insieme S costruito if f (ok ) > f (o) dall’euristica e quello ottimo S→o S ← ok (ottenuto con un risolutore) ⇒ j =j+1 soluzione obiettivo: 95% dell’ottima Tempo impiegato: ∼ 0.1 sec Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  35. 35. Marchiatura reversibile Euristica Problema simile a quello dello zaino. Singolo oggetto oj : blocco i marchiato con una potenza p ⇒ esistono oggetti incompatibili (δi,1 + δi,2 ≤ 1). Si genera una lista L assegnando a ciascun oggetto un indicatore CAPo f (oj ) = Co j ; si costruisce l’insieme S degli oggetti selezionati col seguente j algoritmo:Algoritmo Prestazioni Verificate con due tipi di esperimento:sort(L) wrt f (·) 1 Confronto tra le prestazioniS←∅while CAP(oi ) < REQ dell’algoritmo con ricerca esaustiva e oi ∈S o ← L(j) con uso dell’euristica ⇒ PSNR quasi if ok ∈ S t.c. o è incompatibile con ok identico (∆ < 0.5dB, ∼ 0.6%) S←o else 2 Confronto tra l’insieme S costruito if f (ok ) > f (o) dall’euristica e quello ottimo S→o S ← ok (ottenuto con un risolutore) ⇒ j =j+1 soluzione obiettivo: 95% dell’ottima Tempo impiegato: ∼ 0.1 sec Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  36. 36. Marchiatura reversibileSelezione delle Regioni di InteresseSi è realizzato un criterio semplice,applicabile a tutti i tipi di immaginibiomediche prese in esame e con bassaprobabilità di falsi negativi.Assegnazione del costoIl costo di marchiatura è dato da: 1 − SSIMi,p se i ∈ ROI Ci,p = distanza dal bordo se i ∈ RONIViene privilegiata la marchiatura dei blocchi di non interesse, partendo da quellivicini ai bordi. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  37. 37. Marchiatura reversibileSelezione delle Regioni di InteresseSi è realizzato un criterio semplice,applicabile a tutti i tipi di immaginibiomediche prese in esame e con bassaprobabilità di falsi negativi.Assegnazione del costoIl costo di marchiatura è dato da: 1 − SSIMi,p se i ∈ ROI Ci,p = distanza dal bordo se i ∈ RONIViene privilegiata la marchiatura dei blocchi di non interesse, partendo da quellivicini ai bordi. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  38. 38. Marchiatura reversibileRiepilogo funzionamento Data un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo: 1 Trasformata wavelet 2 Analisi marchiabilità blocchi 3 Ricerca ROI e RONI 4 Scelta blocchi per inserimento 5 EmbeddingEstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  39. 39. Marchiatura reversibileRiepilogo funzionamento Data un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo: 1 Trasformata wavelet 2 Analisi marchiabilità blocchi 3 Ricerca ROI e RONI 4 Scelta blocchi per inserimento 5 EmbeddingEstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  40. 40. Marchiatura reversibileRiepilogo funzionamento Data un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo: 1 Trasformata wavelet 2 Analisi marchiabilità blocchi 3 Ricerca ROI e RONI 4 Scelta blocchi per inserimento 5 EmbeddingEstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  41. 41. Marchiatura reversibileRiepilogo funzionamento Data un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo: 1 Trasformata wavelet 2 Analisi marchiabilità blocchi 3 Ricerca ROI e RONI 4 Scelta blocchi per inserimento 5 EmbeddingEstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  42. 42. Marchiatura reversibileRiepilogo funzionamento Data un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo: 1 Trasformata wavelet 2 Analisi marchiabilità blocchi 3 Ricerca ROI e RONI 4 Scelta blocchi per inserimento 5 EmbeddingEstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  43. 43. Marchiatura reversibileRiepilogo funzionamento Data un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo: 1 Trasformata wavelet 2 Analisi marchiabilità blocchi 3 Ricerca ROI e RONI 4 Scelta blocchi per inserimento 5 EmbeddingEstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  44. 44. Marchiatura reversibileRiepilogo funzionamento Data un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo: 1 Trasformata wavelet 2 Analisi marchiabilità blocchi 3 Ricerca ROI e RONI 4 Scelta blocchi per inserimento 5 EmbeddingEstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  45. 45. Autenticazione di esamiSommario1 Scenario2 Marchiatura reversibile3 Autenticazione di esami4 Risultati sperimentali Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  46. 46. Autenticazione di esamiAutenticazione di interi esamiScopo dell’integrazione è autenticare esami. Ogni esame può essere compostodi oltre 400 immagini ⇒ troppo oneroso marchiarle tutte. Modalità Num. Imm. Pixel per imm. CT ∼ 400 ∼ 2.5 ∗ 105 MR ∼ 400 ∼ 6.5 ∗ 104 CR ∼5 ∼ 4 ∗ 106Marchiatura multi-sliceOgni immagine viene autenticata,soltanto alcune immagini vengonomarchiate Richiede un overhead trascurabile Riduce il tempo di marchiatura / verificaIl tempo per la marchiatura di un esame (di qualsiasi tipo) è inferiore ai 30secondi, mentre l’estrazione richiede meno di 15 secondi ⇒ vincolo di temposoddisfatto. Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  47. 47. Autenticazione di esamiAutenticazione di interi esamiScopo dell’integrazione è autenticare esami. Ogni esame può essere compostodi oltre 400 immagini ⇒ troppo oneroso marchiarle tutte.Marchiatura multi-sliceOgni immagine viene autenticata,soltanto alcune immagini vengonomarchiate Richiede un overhead trascurabile Riduce il tempo di marchiatura / verificaIl tempo per la marchiatura di un esame (di qualsiasi tipo) è inferiore ai 30secondi, mentre l’estrazione richiede meno di 15 secondi ⇒ vincolo di temposoddisfatto.ParametriL’algoritmo sceglie automaticamente tutti i parametri che regolano la marchiatura ela detection ⇒ non è richiesta supervisione di personale Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  48. 48. Autenticazione di esamiAutenticazione di interi esamiScopo dell’integrazione è autenticare esami. Ogni esame può essere compostodi oltre 400 immagini ⇒ troppo oneroso marchiarle tutte.Marchiatura multi-sliceOgni immagine viene autenticata,soltanto alcune immagini vengonomarchiate Richiede un overhead trascurabile Riduce il tempo di marchiatura / verificaIl tempo per la marchiatura di un esame (di qualsiasi tipo) è inferiore ai 30secondi, mentre l’estrazione richiede meno di 15 secondi ⇒ vincolo di temposoddisfatto.ParametriL’algoritmo sceglie automaticamente tutti i parametri che regolano la marchiatura ela detection ⇒ non è richiesta supervisione di personale Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  49. 49. Autenticazione di esamiAutenticazione di interi esamiScopo dell’integrazione è autenticare esami. Ogni esame può essere compostodi oltre 400 immagini ⇒ troppo oneroso marchiarle tutte.Marchiatura multi-sliceOgni immagine viene autenticata,soltanto alcune immagini vengonomarchiate Richiede un overhead trascurabile Riduce il tempo di marchiatura / verificaIl tempo per la marchiatura di un esame (di qualsiasi tipo) è inferiore ai 30secondi, mentre l’estrazione richiede meno di 15 secondi ⇒ vincolo di temposoddisfatto.ParametriL’algoritmo sceglie automaticamente tutti i parametri che regolano la marchiatura ela detection ⇒ non è richiesta supervisione di personale Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  50. 50. Autenticazione di esamiProposta di integrazioneAvendo a disposizione un tale strumento, l’architettura potrebbe essere cosìintegrata:Interazione Fase di creazione: prima di uscire dal presidio, l’esame viene protetto col software Fasi di verifica: l’integrità viene accertata: 1 prima dell’acquisizione nel PACS 2 prima del consolidamento 3 prima/durante il download (dipende dall’urgenza dell’accesso ai dati) Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  51. 51. Autenticazione di esamiProposta di integrazioneAvendo a disposizione un tale strumento, l’architettura potrebbe essere cosìintegrata:Interazione Fase di creazione: prima di uscire dal presidio, l’esame viene protetto col software Fasi di verifica: l’integrità viene accertata: 1 prima dell’acquisizione nel PACS 2 prima del consolidamento 3 prima/durante il download (dipende dall’urgenza dell’accesso ai dati) Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  52. 52. Autenticazione di esamiProposta di integrazioneAvendo a disposizione un tale strumento, l’architettura potrebbe essere cosìintegrata:Interazione Fase di creazione: prima di uscire dal presidio, l’esame viene protetto col software Fasi di verifica: l’integrità viene accertata: 1 prima dell’acquisizione nel PACS 2 prima del consolidamento 3 prima/durante il download (dipende dall’urgenza dell’accesso ai dati) Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  53. 53. Autenticazione di esamiProposta di integrazioneAvendo a disposizione un tale strumento, l’architettura potrebbe essere cosìintegrata:Interazione Fase di creazione: prima di uscire dal presidio, l’esame viene protetto col software Fasi di verifica: l’integrità viene accertata: 1 prima dell’acquisizione nel PACS 2 prima del consolidamento 3 prima/durante il download (dipende dall’urgenza dell’accesso ai dati) Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  54. 54. Risultati sperimentaliSommario1 Scenario2 Marchiatura reversibile3 Autenticazione di esami4 Risultati sperimentali Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  55. 55. Risultati sperimentaliRisultati sperimentaliDataset: 2167 immagini, 9 esami.Confronto tra l’algoritmo propostoe il lavoro di Lee et al. su: 1 Qualità immagini marchiate a parità di payload (∼ 0.1 bpp) Prestazioni superiori sulle metriche percettive Prestazioni paragonabili sul PSNR Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  56. 56. Risultati sperimentaliRisultati sperimentaliDataset: 2167 immagini, 9 esami.Confronto tra l’algoritmo propostoe il lavoro di Lee et al. su: 2 Capacità raggiunta a parità di qualità SSIM molto più “stabile” Parità di qualità percettiva con un payload 5 volte maggiore Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  57. 57. Risultati sperimentaliRisultati sperimentaliDataset: 2167 immagini, 9 esami.Confronto tra l’algoritmo propostoe il lavoro di Lee et al. su: 2 Capacità raggiunta a parità di qualità SSIM molto più “stabile” Parità di qualità percettiva con un payload 5 volte maggiore Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  58. 58. Risultati sperimentaliRisultati sperimentali No O/U-Flow Modalità Lee et al. PropostoDataset: 2167 immagini, 9 esami. CT 100 % 100 %Confronto tra l’algoritmo proposto MR 93,16 % 100 %e il lavoro di Lee et al. su: CR 81,25% 100 % 3 Affidabilità dell’algoritmo Recupero orig. Modalità Lee et al. Proposto CT 77,27% 100 % MR 66,54 % 100 % CR 100 % 100 % Recupero payload Modalità Lee et al. Proposto CT 77,33% 100 % MR 66,92 % 100 % CR 100 % 100 % Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  59. 59. Risultati sperimentaliRisultati sperimentaliDataset: 2167 immagini, 9 esami.Confronto tra l’algoritmo propostoe il lavoro di Lee et al. su: 4 Valutazione visiva Immagini tomografiche giudicate adatte alla consultazione Immagini radiografiche giudicate di qualità paragonabile all’originale Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  60. 60. Risultati sperimentaliConclusioniQuesto lavoro di tesi propone l’utilizzo della marchiatura reversibile perincrementare la sicurezza dei dati nei sistemi per la gestione di immaginibiomediche.I contributi apportati dal lavoro sono: Analisi dello scenario e delle criticità per l’integrità dei dati Sviluppo di un algoritmo di marchiatura per bioimmagini provenienti da diverse modalità Proposta di integrazione dell’architettura con l’algoritmo realizzato Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile
  61. 61. Risultati sperimentali Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile Marco Fontani Università degli Studi di Firenze, Facoltà di Ingegneria 21 Aprile 2010Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

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